太陽能主動追蹤裝置研究

王躍臻 王文革 陶阿嶸

摘 要：太陽能作為已知的最原始的清潔能源，具有非常廣闊的利用前景。為有效地提高太陽能有效利用率，本設計采用雙軸主動追蹤方式，研究如何使太陽能裝置在不同緯度地區、不同季節、同一個照射日內不同時間內連續垂直對準太陽光照。該主動追蹤裝置克服了被動追蹤系統產生的追蹤滯后問題。雙軸由計算機聯合單片機控制，步進電機驅動旋轉，具有斷電記憶功能，恢復供電后具有快速補償能力。

關鍵詞：太陽能；主動追蹤；雙軸結構；視日追蹤

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.047

1 引言

太陽能是已知的最原始的清潔能源，具有非常廣闊的利用前景。太陽能的發展與利用一直是新能源發展的重要方向，也是世界各國大力研究與應用的重點。如何更有效地提高太陽能裝置的有效利用率，始終是人們關心和研究的課題。本項目就是圍繞這一課題展開。

2 太陽能跟蹤技術研究現狀

目前市場上的太陽能裝置多為固定式，但是，在實際應用中隨著季節的不同和同一天內，集熱板受太陽照射的角度不同，集熱能力是不同的。在太陽照射角度過大時，集熱效率明顯下降，使單位面積集熱板的經濟效益較低。為了解決這一問題，利用自動控制技術構成的跟蹤系統，使集熱板始終能垂直對準太陽光線，可極大地提高集熱效率，提高單位面積集熱板的生產效率。根據有關研究文獻，在一個照射日內全天垂直照射比固定傾斜照射，太陽能板的效率可提高37%左右。

在項目調研及課題設計階段，對當前的太陽能跟蹤技術進行了查閱、梳理和總結。首先進行市場調研，收集太陽能追蹤系統的市場應用現狀信息，分析現有產品的優勢和不足，博采眾長，明確改進方向。同時關注目前同類技術發展水平，充分論證比較，確定總體方案。

2.1 太陽能跟蹤技術分類

當前的太陽能跟蹤技術大體有兩類：一類是實時探測太陽對地位置，控制對日角度的被動式跟蹤；另一類是根據天文知識計算太陽位置以跟蹤太陽的主動式跟蹤，即視日運動跟蹤軌跡的方法[1]。

（1）被動跟蹤系統主要采用光強控制法，利用光敏元件和傳感器進行信號跟蹤調節，被動地跟隨太陽轉動。該方式主要受天氣的影響較大。

（2）視日運動軌跡跟蹤控制的方式主要是受當前的時間和地點影響較大。視日軌跡跟蹤的原理是根據太陽運行軌跡，利用計算機（由天文學公式計算出每天中日出至日落每一時刻的太陽高度角與方位角參數）控制電機轉動，帶動跟蹤裝置跟蹤太陽。跟蹤裝置的跟蹤精度取決于一是輸入信息的準確性，二是跟蹤裝置參照坐標系與太陽位置坐標系的重合度，即跟蹤裝置初始安裝時要進行水平和指北調整[2]。太陽跟蹤機構大都是雙軸跟蹤和單軸跟蹤兩種。如果能夠在太陽高度和赤緯角的變化上都能夠跟蹤太陽就可以獲得最多的太陽能，全跟蹤即雙軸跟蹤就是根據這樣的要求而設計的。雙軸跟蹤又可以分為兩種方式：極軸式全跟蹤和高度角方位角式全跟蹤[1]。研究表明，與固定式和單軸跟蹤式相比，雙軸跟蹤式對太陽能的利用率更大，因此，對太陽能雙軸跟蹤控制的研究具有實際意義。按照目前的年均太陽能裝機容量，如果將固定式太陽能板換為雙軸主動追蹤式，其經濟效益是非常可觀的。

2.2 太陽能跟蹤技術優缺點比較

極軸式全跟蹤。跟蹤裝置的一軸指向天球北極，即與地球自轉軸相平行，故稱為極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。這種跟蹤方式并不復雜，但在結構上太陽能板的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設計比較困難[3]。

高度角一方位角式太陽跟蹤。高度角和方位角式太陽跟蹤方法又稱為地平坐標系雙軸跟蹤，太陽能板的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時太陽能板根據太陽的位置變化繞方位軸轉動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變太陽能板的傾斜角，從而使太陽能板的法線始終與太陽光線平行。這種跟蹤系統的特點是跟蹤精度高，而且集熱器的重量保持在垂直軸所在的平面內，支承結構的設計比較容易。在考慮跟蹤精度、跟蹤必要性和系統能耗的基礎上，采用間歇跟蹤方法，即每隔一段時間后，運動軸快速調整一次跟蹤角，并使各運動軸的轉角與其由于停頓導致落后于太陽運行的方位角和高度角相等，其余時間系統跟蹤角驅動機構固定不動，如此循環，因而形成跟蹤系統間歇追蹤太陽的跟蹤方法。采用間歇跟蹤方法，不僅可以簡化系統控制，避免龐大的減速系統；而且可以減少電機的運行次數，增加電機的運行壽命，降低跟蹤運動系統本身的能耗。我們知道，雖然間歇跟蹤方法具有上述優點，但不可避免的要犧牲系統的跟蹤精度，但是綜合各種因素考慮，間歇式跟蹤是較為科學的跟蹤方法。

目前國內的太陽能跟蹤裝置多為光敏元件負反饋被動控制系統，其基本原理是由光敏元件測量太陽照射角，當角度達到設定值時發出信號，觸發控制系統驅動傳動機件，將太陽能板旋轉一個角度以追蹤太陽光線。其存在的缺點是受光敏元件的精度影響較大，跟蹤有滯后性等。

3 課題研究方案確定及實施路線

課題組根據實際情況，對研究內容和研究路線多次討論設計，最終確定了本項目的研究思路和研究路線。綜合考慮現實條件和各種太陽能跟蹤方法的優缺點，本項目采用了視日運動跟蹤軌跡技術中的高度角一方位角式太陽跟蹤技術。為增加電機的運行壽命，降低跟蹤運動系統本身的能耗，最終確定采用了間歇式跟蹤技術。主要研究實現如何使太陽能板在不同緯度地區、不同季節、同一個照射日內不同時間內連續垂直對準太陽光照，包括機械結構、傳動裝置、控制系統、算法研究和程序編制。本裝置采用計算機單片機控制，步進電機驅動旋轉的主動追蹤方法。

機械結構方面，在水平面內設置一東西方向的水平支軸（俯仰軸），使太陽能板可繞俯仰軸轉動以調整俯仰角，適應季節的變化，垂直平面內設置一垂直立軸（方位軸），使太陽能板繞方位軸轉動以調整朝向角，適應同一天內時間的變化。俯仰角和朝向角的調整由計算機根據地區緯度、季節（日期）和時間按規定的算法輸出脈沖信號控制步進電機轉動，通過傳動裝置驅動太陽能板轉動實現。

俯仰角和朝向角的調整控制采用了簡化算法，基本原理如下：俯仰角的調整按從春分-夏至-秋分-冬至-春分為一個周期，夏至日太陽直射北回歸線，冬至日太陽直射南回歸線，按當地緯度數和日期由計算機計算確定太陽光線的照射角度后向步進電機發出相應數量的脈沖信號驅動太陽能板旋轉調整俯仰角；朝向角的調整按每天日出與日落時間為一個周期，由計算機根據當地時間確定太陽朝向后向步進電機發出相應數量的脈沖信號控制太陽能板朝向角在一天內隨太陽移動而變化，到達日落時間后步進電機反向轉動，控制太陽能板的朝向回到起始位置。

太陽能板水平傾斜角與日期、緯度關系：在北半球D 日（D為日期），太陽直射點的緯度為α，太陽能接收板安裝在緯度β處，Φ為β處水平面的法線與光線方向的夾角，稱為太陽入射角。太陽能接收板水平傾角計作θ。

在春分-夏至-秋分時段，如圖1所示，根據圖示幾何關系有：Φ=β-α；根據太陽直射點的移動規律有如下關系：

春分-夏至時段 α=23.5°*（D-D春）/（D夏-D春）

夏至-秋分時段 α=23.5°*（D秋-D）/（D秋-D夏）

D春---春分日期

D夏---夏至日期

D秋---秋分日期

D-當前日期

在秋分-冬至-春分時段，如圖2所示，根據圖示幾何關系有：Φ=β+α；根據太陽直射點的移動規律有如下關系：

（1）秋分-冬至時段 α=23.5°*（D-D秋）/（D冬-D秋）

（2）冬至-春分時段 α=23.5°*（D`春-D）/（D`春-D冬）

D`春---次年春分日期

D冬---冬至日期

該太陽能雙軸追蹤裝置中設計了一種用于太陽能集熱裝置的自動二維旋轉臺，采用了一種新型的雙軸跟蹤實驗系統，實現對太陽光照射方向的實時跟蹤（如圖3所示）。因而能大大提高其太陽能的利用效率。

經過各種系統方案的比較，本系統確定的總體結構示意圖如下圖4所示，該系統主要由單片機、傳動組件、步進電機以及電源系統等組成[4]。

4 課題研究結果及小結

本項目采用雙軸結構、主動控制方式，不使用光敏元器件，克服被動追蹤系統受光敏元器件精度和老化影響而產生的追蹤滯后、誤差大等問題。雙軸由計算機獨立控制，步進電機驅動連續旋轉，追蹤精度高，沒有滯后量，具有斷電記憶功能，恢復供電后具有快速補償能力。自動化程度高、全天候運行，一次性安裝調整后，沒有外力破壞的情況下不再需要調整。主控制器采用微型計算和單片機聯合控制，成本低、可靠性高。

上述內容完成后，課題組人員對整個機構的性能進行了反復的調試驗證，不斷改進，反復實踐測試，最終獲得理想的效果。

參考文獻：

[1]陸建章等.基于單片機的雙軸太陽光追蹤器設計[J].科技創新與應用，2016（02）.

[2]廖錦城.計算機控制雙軸太陽跟蹤系統及其偏差檢測[D].武漢理工大學碩士論文，2008，12（10）.

[3]沈磊，姜晨.太陽能雙軸聚光跟蹤控制設計與優化[J].上海理工大學學報，2016（02）.

[4]柳艷敏，商瀟瀟，解東水.太陽能追日系統控制裝置的研究[J].中國新技術新產品，2012（10）：16-17.

作者簡介：王躍臻（1972-），女，山東諸城人，工程碩士，高級工程師，教師，主要研究方向：材料控制成形（沖壓模具）。